电子专业新技术讲座

1、电子专业新技术讲座电子信息新技术的发展方向,进入21 世纪，电子信息领域有四项技术特别引人注目：微电子技术，光电子技术,分子、生物、传感器电子技术，存储、显示电子技术。,微电子技术的发展趋势,1）高集成、大容量、超小型化 2）低功耗、易使用性和高生产率 3）高速化,光电子技术的发展趋势,光电子技术始于1960 年激光的问世， 应用不同的物质制作出从红外到紫外 的光谱激光，产生出种种有关技术 和产业。光纤通信是技术开发的原动 力之一。,分子电子技术发展趋势,分子电子技术是以分子作为载体,在分子水平上实现电子学的信息处理和存储过程的仿生技术.它是70年代以来在分子电子学基础上产生的一门新兴技术.其

2、目标是研制由分子器件构造的并行分布式仿生智能信息处理系统,开辟了信息科学发展的新途径. 20 世纪80 年代曾提出过分子器件的概念，但因没有利用1 个分子的手段，一时便冷落了下来。到90 年代中期，随着扫描隧隧道显微镜、原子间力显微镜的进步，建立起了利用手段，研究活动再次活跃。近12 年以欧美为中心，许多研究所争先恐后地从事单一分子利用的研究。,生物电子技术发展趋势,生物器件的主要构成要素是蛋白质，对蛋白质功能已有足够了解，从而设计出了蛋白质传感器。20 世纪90 年代后实用器件大量生产，被广泛应用于血液诊断，取得了划时代的进展。特别是根据蛋白质工程等尖端技术，做到了人工改变蛋白质，明确了制造

3、蛋白质器件的研发方向。基于细胞或细胞组织的生物器件研究发展也十分迅速，尤其是出现了扫描近场光学显微镜等光电子技术，适用于细胞系列研究，从而处理生命活动的技术研究格外受到人们注目。利用脑功能和神经生物电子技术的研究开发也是人们面临的一大课题。,传感器电子技术发展趋势,敏感技术在工业制造、基础科学、防灾、环境等领域十分重要，其原理涉及光子学、超导、半导体、量子效应等。传感器的发展方向是高敏感化、高分解能力以扩大人类智力资源。但是，各种传感器的生产量都不大，企业规模较小，特别是技术密集的高价传感器少量生产的更多。,存储技术发展趋势,20 世纪80 年代以来，作为计算机外设的磁存储技术发展不算顺利，单

4、位面积存储容量大约每5 年翻一番。但最近进步迅速，达到1 年就翻番的速度，与半导体存储器相比，它的成本低得多，每位成本只及后者的百分之一，现在已实现每平方英寸10Gb 的存储密度,并正向每平方英寸1000Gb 前进。可换存储器软盘应用广泛，最近则已开始逐渐被采用闪存的IC 存储卡所取代。光盘存储器CDROM几乎已装备了所有的PC，年产量达5000 万片。DVD 存储容量比CDROM大7 倍，DVD 驱动器已用作电影视盘和计算机驱动器，今后将开发可重写的DVD驱动器。人们面临的课题是要把存储密度超过1011b/平方厘米的光存储器付诸实用。,显示技术,阴极射线管（CRT）在显示领域无疑仍占用很大的

5、比重。计算机、工作站用的显示管分辨率大多已达16001200，并开发76804 320 的高精度CRT，屏幕尺寸趋向大型化，15 英寸、17 英寸正取代14 英寸管，使用增加。液晶显示器（ LCD）发展更加迅速。开发出的全球TFT-LCD 已被笔记本电脑广泛采用。多品硅小型TFT 显示器，应用领域迅速扩大，包括取景器、数码相机、网络电脑、PC、个人数字助理PDA 等。继Walkman 成为“移动音乐厅”之后，“移动办公室”，“移动照片展览”将相继实现，投景电子显示、远程视像会议也开始普及。最近，等离子显示（PDP）的发展引人瞩目，40 英寸的产品上市之后，40 英寸以上的大屏幕也有了商品化计划

6、。为室外使用的大屏幕显示，已开发出了高亮度的蓝色发光二级管（LED），全彩LED 显示器（2.561.92m）正走向实用。总之，显示器今后的发展方向，一是大屏幕。通过家庭内的一面墙电视，就能享受到影院的氛围；电视会议显示扩大，产生的现场感受十分真切。二是小型高精度显示，比较遥远的设想有直接投射到视网膜的显示技术，安放在眼镜上的放像系统等。,电子专业新技术讲座量子信息技术,量子信息技术,量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。,

7、量子信息技术,科学社会学的奠基人贝尔纳曾说：“科学与战争一直是极其密切地联系着的。”今天，倘若我们要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生所开启的电子信息科技革命。然而，这一曾彻底颠覆机械化战争图景的电子信息科技，在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显：电子计算机的极限运算速度是否存在？越来越一体化的电子信息网络如何应对“网电空间战”？等等。对此，近年来不断突破的量子信息科技正在开启新的机遇之门，势必在未来重新涂抹战神的面孔。,量子计算,作为科幻作品，克莱顿的小说中充斥着“量子多宇宙”“量子泡沫虫洞”“量子

8、运输”“量子纠缠态”等令人既感新奇又感陌生的词汇，书中之“电子的32个量子态”说法也并不科学。然而，克莱顿预言的量子“并行计算”的强大潜力和美好前景，如今却正在现实世界一步步得到印证。,量子计算,曾创作出侏罗纪公园和失去的世界等作品的著名科幻作家迈克尔克莱顿，在科幻小说时间线中曾尝试用文学的笔调来想象量子计算的神奇。其中，一家名为国际技术公司的经理们如此推销其眼中的高新科技：“普通的计算机用电子的两种状态计算，这两种状态被定为0和1。但在20年前，理查德费曼就提出，有可能利用电子所有的32个量子态来进行快速计算。现在有诸多实验室正在试图制造这样的计算机。它们的优点是难以想象的、强大的并行计算能

9、力。”,量子计算,具体而言，1965年，英特尔公司的创始人之一戈登摩尔针对电子计算机技术的发展提出了“每18个月计算能力翻倍”的摩尔定律。然而，由于传统技术的物理局限性，这一能力或将在未来1020年之内达到极限。据保守估计，2018年芯片制造业就将步入16纳米的工艺流程，业内专家则认为，16纳米制程已经是普通硅芯片的尽头。事实上，当芯片的制程小于20纳米之后，量子效应就将严重影响芯片的设计和生产，单纯通过减小制程将无法继续遵循摩尔定律，而突破的希望恰在于量子计算。,量子计算,从理论上讲，一个250量子比特（由250个原子构成）的存储器，可能存储的数达2的250次方，比现有已知的宇宙中全部原子数

10、目还要多。无论在基础理论还是在具体算法上，量子计算都是超越性的。因此，对量子计算的相关研究及量子计算机的具体研制已成为世界科学领域最闪亮的“明珠”之一。比如，美国国防部对此就给予了高度重视，国防高级研究计划署（DARPA）专门制定了名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划，其对外公开宣称的目标是，若干年内要在核磁共振量子计算、中性原子量子计算、谐振量子电子动态计算、光量子计算、离子阱量子计算及固态量子计算等领域取得重大研究进展。,量子计算,科学社会学的奠基人贝尔纳曾说：“科学与战争一直是极其密切地联系着的。”今天，倘若我们要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话，无疑是1946年世界第一台

11、计算机“ENIAC”诞生所开启的电子信息科技革命。然而，这一曾彻底颠覆机械化战争图景的电子信息科技，在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后，制约其进一步发展的系列问题日渐凸显：电子计算机的极限运算速度是否存在？越来越一体化的电子信息网络如何应对“网电空间战”？等等。对此，近年来不断突破的量子信息科技正在开启新的机遇之门，势必在未来重新涂抹战神的面孔。,量子密码：构筑“数字城堡”的铜墙铁壁,近年来，谍战剧热播我国荧屏，围绕着夺取情报、破译密码，一个个斗智斗勇的故事，吸引了无数观众的眼球。然而很多人并不知道，随着量子信息技术的发展，密码通讯正在迎来划时代的变化，一种永远无法破译的密码或将在不远的未

12、来登上军事斗争舞台。,量子密码,具体来说，目前的密码大都采用单项数学函数的方式，应用了因数分解或其它复杂的数学原理。例如，在目前互联网上比较常用的RSA密码算法，就是应用因数分解的原理。因为要计算两个大质数的乘积很容易，但要将乘积分解回质数却极为困难，这就使得密码很难被破解。然而，美国科学家皮特休尔却提出了“量子算法”，它利用量子计算的并行性，可以快速分解出大数的质因子，这意味着以大数因式分解算法为根基的密码体系在量子计算机面前不堪一击。,量子密码,差不多同时，另一个著名的量子算法“量子搜寻算法”也被提出，用该方法攻击现有密码体系，经典计算需要1000年的运算量，量子计算机只需小于4分钟的时间

13、，从而使传统密码领域遭遇前所未有的挑战，以致有科学家宣称：“其意义不亚于核武器一旦有些国家拥有了量子计算机，而另一些国家却没有，当战争爆发的时候，这就犹如一个瞎子和一个睁眼的人在打架一样，对方可以把你的东西看得清清楚楚，而你却什么都看不到。”,量子密码,当然，量子计算机的出现虽然会对传统密码产生颠覆，但是量子信息同时也提供了一个守护神，即一种理论上无法破解的密码量子密码。由于采用量子态作为密钥，具有不可复制性，因而无破译的可能，量子密码的出现也因此被视为“绝对安全”的回归。世界各国纷纷将其纳入国防科技发展战略之中。如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室就在研究量子局域网的密码体系和自由空间量子密码。此外

14、，英国国防部及欧盟各国也启动了类似的量子密码研究计划。,量子通信：“超光速”联通一体化战场神经网络,这个世界上真的存在“超时空隧道”吗？对此，科学家给出的答案是，伴随着量子信息科技的持续发展，未来这一幻想不是没有实现的可能。当然，这一说法今天看来依然不无夸张，但其所谓的与“量子纠缠”密切关联的“量子态隐形传输”则正在变为现实。,量子通信：“超光速”联通一体化战场神经网络,通俗而言，两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事，好像有一根无形的线绳牵着他们，这种神奇现象可谓“心灵感应”。与此类似，所谓量子纠缠，是指在微观世界里，有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系，不管它们距离多远，只要一个

15、粒子状态发生变化，就能立即使另一个粒子状态发生相应变化。量子通信正是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。此种通信技术若能得以实现，其影响将是划时代的。,量子通信：“超光速”联通一体化战场神经网络,在时空方面，由于量子通信属于超光速通信，不仅是“最快的通信”，而且有穿越大气层的可能，从而为基于卫星量子中继的全球化通信网奠定了可靠基础。日前，德国物理学家就正在利用量子纠缠效应打造量子互联网，其研究人员称：“我们已经实现了第一个量子网络原型，在节点之间完成了量子信息的可逆交换。此外，还可以在两个节点之间产生远程纠缠，并保持约100微秒未来人们通过它不仅可以进行远距离的量子信息沟通，而且还

16、将使大型量子互联网完全实现成为可能。”,量子信息技术的应用,这一量子通信技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景，量子隐形通信系统将建立在各类作战指挥控制体系之间和各种侦察预警系统、主要作战平台以及量子微空间武器系统之中，构建出量子信息化战场的通信网络，以其超大信道容量、超高通信速率等特性，在未来的信息化战争中扮演无可替代的角色。亦正因此，近年来，美国国防高级研究计划署启动了多项量子通信方面的相关研究计划。英国、德国、日本等国也都将量子通信技术纳入议程，对其开展了广泛的探索。,电子专业新技术讲座物联网技术及其应用,物联网的概念,英文名： Internet of Things（IOT），也称为W

17、eb of Things。 物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。,物联网的特征,各种感知技术的广泛应用 建立在互联网上的泛在网络 智能控制,“物”的涵义,1、要有相应信息的接收器； 2、要有数据传输通路； 3、要有一定的存储功能； 4、要有CPU； 5、要有操作系统； 6、要有专门的应用

18、程序； 7、要有数据发送器； 8、遵循物联网的通信协议； 9、在世界网络中有可被识别的唯一编号。,物联网的概念,英文名： Internet of Things（IOT），也称为Web of Things。 物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。,发展历程（1）,1、物联网的实践最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐